Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет «Псевдопараллельный АЦП со сниженной потребляемой мощностью на основе КМОП инверторов» - презентация

1 Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет «Псевдопараллельный АЦП со сниженной потребляемой мощностью на основе КМОП инверторов» Д. В. Морозов, М. М. Пилипко, И. М. Пятак ,1

2 Содержание Использование КМОП-инвертора в качестве компаратора Псевдо-параллельный АЦП на основе предложенного решения компараторов Результаты измерений тестового кристалла АЦП Благодарности. 2 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

3 Использование КМОП-инвертора в качестве компаратора Напряжение порога переключения U пер КМОП инвертора используется как опорное U оп Напряжение порога переключения задается соотношением длин/ширин затворов транзисторов Исключается необходимость использовать внешнее опорное напряжение 3 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет J. Yoo, K. Choi, and A. Tangel. A 1-GSPS CMOS Flash A/D Converter for System-on-Chip Applications, IEEE Computer Society Workshop on VLSI, pp , (250nm CMOS, 8- bit, 1GS/s, 0.9Vp-p, 256mW, 0.23mm2)

4 Использование КМОП-инвертора в качестве компаратора Преимущества использования КМОП-инвертора как компаратора Не требуется источник внешнего опорного напряжения и резистивный делитель для формирования опорных напряжений для каждого компаратора. Не требуется дополнительных тактовых сигналов Малая занимаемая площадь на кристалле, высокое быстродействие Возможность изготовления по стандартной цифровой КМОП технологии 4 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

5 Использование КМОП-инвертора в качестве компаратора Недостатки использования КМОП-инвертора как компаратора 5 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Как правило, параллельные АПЦ с компараторами на основе КМОП-инверторов имеют разрядность не более 5 бит Эффективная разрядность не превышает 4 бит Размах входного сигнала не более 10% от напряжения питания Широкий диапазон разброса ширин p-МОП транзисторов Главная проблема – зависимость напряжения порога переключения КМОП инверторов от: температуры кристалла разброса параметров транзисторов при изготовлении

6 Псевдо-параллельный АЦП на основе предложенного решения компараторов 6 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

7 Псевдо-параллельный АЦП на основе предложенного решения компараторов Пример блока компараторов (7 компараторов) 9 блоков компараторов определяют 63 напряжения порога переключения Размеры затворов транзисторов: L=0.44 мкм, Wn=0.44 мкм, 0.5 мкмWp5.9 мкм 7 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

8 Псевдо-параллельный АЦП на основе предложенного решения компараторов Напряжения порогов переключения блоков компараторов 8 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет блока U пер, мВ

9 Псевдо-параллельный АЦП на основе предложенного решения компараторов Результаты моделирования зависимости U пер от температуры и технического разброса для отдельного блока компараторов 9 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

10 Псевдо-параллельный АЦП на основе предложенного решения компараторов Результаты моделирования зависимости U пер от температуры и технического разброса для 9 блоков компараторов 10 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

11 Псевдо-параллельный АЦП на основе предложенного решения компараторов Результаты моделирования зависимости U пер от разброса напряжения питания для отдельного блока компараторов 11 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

12 Псевдо-параллельный АЦП на основе предложенного решения компараторов Изменения напряжения порога переключения: При различных воздействиях изменяются идентично друг другу, снижая дифференциальную нелинейность Ошибка усиления АЦП в пределах : 8 мВ

13 Псевдо-параллельный АЦП на основе предложенного решения компараторов Шифратор на основе мультиплексоров J.Lee, M.Choi, M.Park, B.Park. A 7b 1GS/s 60mW Folding ADC in 65nm CMOS, ISOCC, pp , Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Шифратор состоит из 57 мультиплексоров. Показана схема для старших разрядов предложенного параллельного АЦП

14 Результаты измерений тестового кристалла АЦП Микрофотография кристалла АЦП Размеры без учета кольца защиты 120 мкм на 60 мкм 14 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Спектр выходного сигнала АЦП Тактовая частота 100 МГц, входная частота 3,5 МГц, отношение сигнал/шум 31,3 Дб

15 Результаты измерений тестового кристалла АЦП Представлена реализация псевдо-параллельного АЦП разрядность 6 бит с использованием компараторов на основе КМОП инверторов 15 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Кристалл изготовлен по 180 нм КМОП технологии фирмы UMC Для сравнения, в работах [1] и [2] представлены АЦП разрядностью 6 бит, параметр FoM составил 0,9 п Дж/преобр и 0,8 п Дж/преобр соответственно [1] H. Wei, U. Chio, S. Sin, R. Martins, A power scalable 6-bit 1.2 Gs/s Flash ADC with Power on/off track-and-hold and preamplifier // IEEE International Symposium on Circuits and Systems P. 5–8. [2] Ch.-Y. Chen, M. Q. Le, K. Y. Kim, A Low Power 6-bit Flash ADC With Reference Voltage and Common-Mode Calibration // IEEE Journal of Solid-State Circuits. April V P Напр. питания, В Размах вх. напр., В Разрядность, бит Тактовая частота, МГц Потр. мощность, м Вт INL/DNL, МЗР ENOB, бит FoM, п Дж/преобр ±0.9± ,90,9/0,64,910,63

16 Благодарности Авторы выражают благодарность отделу интегральных устройств и систем (Integrated Circuits and Systems) Института интегральных устройств Фраунгофера (Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS), Германия, за помощь в изготовлении партии тестовых кристаллов микросхем. 16 Санкт-Петербургский государственный политехнический университет